几种新型接地材料的加速腐蚀性能对比

田鹏辉，谭波，童雪芳，江培柯，王湘汉

（1.三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002；2.中国电力科学研究院有限公司武汉分院，武汉 430072）

接地是保证电力系统可靠运行的基础，接地技术中接地装置的防腐蚀问题一直是研究的重点。接地材料的腐蚀会降低其使用寿命，影响电力系统的安全运行，甚至引发安全事故［1-3］。由于我国铜材资源相对匮乏，目前普遍采用热镀锌钢材作为接地材料，相较于铜材，热镀锌钢材的耐蚀性较差。与欧美国家对比，我国每年因腐蚀造成的直接或间接经济损失更大［4-6］，故有必要研发新型接地材料。目前，我国电力系统中使用较多的接地材料有高硅铬铁、锌包钢、不锈钢、碳钢、铜、铜包钢、碳纳米改性材料、石墨烯复合材料等，这些材料在不同酸碱性土壤中的腐蚀行为大不相同。朱亦晨等［7］研究发现Q235钢在三种土壤环境中都发生了局部点蚀以及全面腐蚀，且在酸性红土壤中的腐蚀速率最高。李海玲等［8］研究了镀锌钢在多种典型土壤中的腐蚀行为，发现镀锌钢在p H 较低的鹰潭地区土壤中的腐蚀最严重。

接地材料在土壤中普遍存在电偶腐蚀［9］，即在介质中有两种或多种金属相接触，因不同金属间存在电位差而形成电偶电池。电池阴极为电位较高的金属，其腐蚀过程因阴极反应而被抑制，阳极为电位较低的金属，其腐蚀过程因阳极反应而被加速。

很多因素会对电偶腐蚀产生影响。徐宏妍等［10］研究了在自来水和3.5%（质量分数）NaCl溶液中铸造AZ91D 镁合金和多种偶接材料之间的电偶腐蚀效应，发现AZ91D 镁合金的电偶腐蚀速率随着阴、阳极面积比的增大而增大。周蜜等［11］采用实验室加速腐蚀方法研究了镀锌钢接地材料的电偶腐蚀效应，结果表明镀锌钢接地材料的腐蚀量与阴阳极间距大致呈线性关系。

本工作针对我国目前使用较多的几种新型接地材料，开展溶液加速腐蚀试验和电偶加速腐蚀试验［12-15］，分析了接地材料在不同酸碱性环境中的腐蚀速率，以期了解新型接地材料的腐蚀特性，并为实际接地工程的选材和防腐蚀技术提供参考依据。

1 试验

1.1 试样

溶液加速腐蚀试验所用接地材料共八种，分别为碳钢、不锈钢、锌包钢、铜、铜包钢、高硅铬铁、石墨烯复合材料、碳纳米改性材料。其中，石墨烯复合材料和碳纳米改性材料的外部镀层分别为石墨烯和碳纳米管，内部均为钢。用于溶液加速腐蚀试验的试样为ϕ16 mm×5 cm 的圆柱体；用于电偶加速腐蚀试验的试样为ϕ16 mm×10 mm 的圆柱体。试样经切割后用AB胶密封材料底面待用。

1.2 试验方法

1.2.1 溶液加速腐蚀试验

为研究八种接地材料在不同加速腐蚀时间后的溶液加速腐蚀特性，分别以15%（质量分数，下同）NaCl溶液、15% NaOH 溶液和15% HCl溶液为腐蚀溶液，试验温度为室温，将每种材料的三个试样放入同一溶液中，分别加速腐蚀240，360，480 h后取出试样，将其置于15%（质量分数）柠檬酸三铵溶液中，并在高低温试验箱中加热至80 ℃持续2 h后，去除疏松的腐蚀产物、清洗、干燥、称量后，利用失重法，采用式（1）计算几种接地材料的腐蚀速率。

式中：vsol为溶液加速腐蚀速率，g／（dm2·d）；Δmsol为溶液加速腐蚀质量损失，g；Δtsol为溶液加速腐蚀时间，h；A为试样的暴露面积，dm2。

为研究八种接地材料在酸性环境中冷热循环条件下的溶液加速腐蚀特性，将试验温度设置为冷热循环（早上九点打开高低温试验箱加热至60 ℃，晚上九点关闭高低温试验箱），腐蚀时间为480 h，腐蚀溶液为15% HCl溶液。

1.2.2 电偶加速腐蚀试验

电解质溶液分别为5% NaCl溶液、5% NaOH溶液和5% HCl溶液，试样经无水乙醇清洗后干燥、AB胶密封底面、称量。每种材料取三个试样，将其分别放在三种电解质溶液中，固定阴、阳极面积比为2∶1，阴、阳极距离为10 cm，试验温度为室温，腐蚀时间为480 h。

黄铜与接地材料试样偶接形成电偶对，接地材料作为电偶对的阳极，黄铜作为电偶对的阴极。试验结束后取出接地材料试样，去除疏松的腐蚀产物，经除锈、清洗、干燥、称量后按式（2）计算各种接地材料的腐蚀速率：

式中：vgal为电偶加速腐蚀速率，g／（dm2·d）；Δmgal为电偶加速腐蚀质量损失，g；Δtgal为电偶加速腐蚀时间，h。

2 结果与讨论

2.1 溶液加速腐蚀试验

2.1.1 腐蚀时间的影响

如表1所示，在15% HCl溶液中，高硅铬铁、不锈钢、碳纳米改性材料和石墨烯复合材料的综合耐久性排名靠前。其中，不锈钢、高硅铬铁和碳纳米改性材料腐蚀480 h 的腐蚀速率分别为碳钢的1／7 600、1／950和1／79，腐蚀速率较低，非常适用于酸性土壤环境。不锈钢的溶液加速腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而降低，可以判断不锈钢接地材料在酸性环境中的使用年限较长，铜包钢、碳钢、锌包钢的腐蚀速率较快，耐蚀性较差。

表1 不同接地材料在15% HCl溶液中加速腐蚀不同时间的腐蚀速率Tab.1 Corrosion rates of different grounding materials in 15% HCl solution for accelerating corrosion at different times

如表2所示，在15%NaOH 溶液中，不锈钢、高硅铬铁和石墨烯复合材料的耐蚀性较好。然而，当腐蚀时间由360 h延长至480 h 时，高硅铬铁腐蚀速率的排名由第1名骤降到第7名，可以判断高硅铬铁接地材料在碱性环境中的时使用年限较短。当腐蚀时间为240～480 h时，不锈钢的腐蚀速率一直较低，非常适用于碱性环境；石墨烯复合材料的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而减小，说明其用作碱性环境中接地材料的使用年限较长。此外，铜包钢、碳钢、锌包钢的综合腐蚀速率最快，在碱性环境中的耐蚀性较差。

表2 不同接地材料在15% NaOH 溶液中加速腐蚀不同时间的腐蚀速率Tab.2 Corrosion rates of different grounding materials in 15% NaOH solution for accelerating corrosion at different times

如表3所示，在15% NaCl溶液中，高硅铬铁、不锈钢和石墨烯复合材料的综合耐蚀性排名最优。当腐蚀时间为240～480 h时，高硅铬铁的腐蚀速率较低，适用于中性环境。此外，锌包钢、铜、铜包钢的综合腐蚀速率较快，在中性环境中的耐蚀性较差。

表3 不同接地材料在15%NaCl溶液中加速腐蚀不同时间的腐蚀速率Tab.3 Corrosion rates of different grounding materials in 15% NaCl solution for accelerating corrosion at different times

2.1.2 温度变化的影响

如图1所示，当试验温度从室温改变为冷热循环后，不锈钢的腐蚀速率增大了3 500倍，碳纳米改性材料的腐蚀速率增大了140倍，这表明不锈钢和碳纳米改性材料的腐蚀速率受温度变化的影响很大。因此，这两种材料在昼夜温差较大的酸性环境中的耐蚀性并不好。相比于其他七种材料，锌包钢的腐蚀速率最大，耐蚀性最差；高硅铬铁的腐蚀速率最小，耐蚀性最好。

图1 在室温和冷热循环条件下酸性溶液中不同接地材料的溶液加速腐蚀速率Fig.1 Solution accelerated corrosion rates of different grounding materials in acid solutions at room temperature and hot and cold cycle condition

2.2 电偶加速腐蚀试验

由图2可以看出，除高硅铬铁外，其余接地材料在酸性环境中的电偶加速腐蚀速率都较大，大部分接地材料在碱性环境中的电偶加速腐蚀速率都较小。在酸性环境中，不锈钢、高硅铬铁和碳纳米改性材料的电偶加速腐蚀速率较小，其中高硅铬铁的最小，为0.004 2 g／（dm2·d），表明其在酸性环境中的耐电偶腐蚀性能最好。在碱性环境中，不锈钢、高硅铬铁和石墨烯复合材料的电偶加速腐蚀速率较小，其中石墨烯复合材料的最小，为0.004 5 g／（dm2·d）。因此，石墨烯复合材料在碱性环境中的耐电偶腐蚀性能最好。在中性环境中，不锈钢的电偶加速腐蚀速率最小，为0.008 2 g／（dm2·d），其在中性环境中的耐电偶腐蚀性能最好。

图2 不同酸碱性溶液中不同接地材料的电偶加速腐蚀速率Fig.2 Galvanic accelerated corrosion rates of different grounding materials in solutions with different acid-base property

如图3所示，不锈钢表面大部分区域被腐蚀产物所包覆，表明不锈钢在酸性环境中的电偶腐蚀较严重。

图3 不锈钢在5% HCl溶液中电偶加速腐蚀480 h后的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of stainless steel after galvanic accelerated corrosion for 480 h in 5% HCl solution

由图4可以看出，在碱性环境中，碳纳米改性材料外部的碳纳米涂层发生大部分脱落，但其内部金属并未出现明显的腐蚀迹象，说明碳纳米涂层能够有效保护内部金属遭受电偶腐蚀。

图4 碳纳米改性材料在5% NaOH 溶液中电偶加速腐蚀480 h后的宏观形貌Fig.4 Macro morphology of carbon nano modified material after galvanic accelerated corrosion for 480 h in 5% NaOH solution

3 结论

（1）在酸性环境中，不锈钢、高硅铬铁和碳纳米改性材料具备良好的耐蚀性，适合用作酸性土壤中的接地材料，且不锈钢的使用年限较长。若综合考虑地区昼夜温差和电偶腐蚀的影响，高硅铬铁的耐蚀性最好。

（2）在碱性环境中，不锈钢、高硅铬铁和石墨烯复合材料具备良好的耐蚀性，其中石墨烯复合材料的耐电偶腐蚀性能最好。

（3）在中性环境中，不锈钢和高硅铬铁具备良好的耐蚀性，其中不锈钢的耐电偶腐蚀性能最好。